第四章 二元相图

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4. 伪共晶 ① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 ② 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。
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5.不平衡共晶体 ① 不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应 而形成的组织。 ②原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。 ③ 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏 移）
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1 共晶相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、 过共晶合金成分分界点）等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
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2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （1）α 固溶体合金（WSn<19％）及β固溶体合金（WSn＞97.5％） ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再 结晶）。 ③ 室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。
第4章 二元相图
4.1
4.2
相图的基本知识
二元相图的基本类型
4.3
4.4
二元相图的分析和使用
铁碳相图和铁碳合金
1
4.1相图的基本知识
相图：描述物质的状态与温度、压力及成分之间关系的图解。 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、 各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。 仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和 具体形貌。 4.1.1 相图的表示 状态与成分表示法 状态表示：温度－成分坐标系。 坐标系中的点－表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。
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2、 组元间形成化合物的相图 稳定化合物：具有一定熔点，在熔点以下不分 解的化合物。 3、具有异晶转变的相图 一个固相转变为另一个固相的转变称为异晶转 变也称同素异构转变。 4、具有固溶体形成中间相转变的相图 5、具有有序---无序转变的相图 6、具有磁性转变的相图

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3 共晶组织的形成 （1）共晶体的形成 成分互惠－交替形核
片间搭桥－促进生长
两相交替分布 （共晶组织）
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（2）共晶体的形态 金属 - 金属型（粗糙－粗糙界面）：层片状（一般情况）、 棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相） 金属 - 非金属型（粗糙－光滑界面）：具有不规则或复杂组 织形态（由于两相微观结构不同）
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6. 离异共晶 ① 离异共晶：两相分离的共晶组织。 ② 形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。 ③ 消除：扩散退火。
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4.2.3 二元包晶相图及合金凝固
包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个 TD 特点成分固相的转变。
2 2
杠杆定律 （1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则 自由度为0，平衡相成分随之确定。） （2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计 算。 （3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要 选准。
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4.1.2相图的建立 方法：实验法和计算法。 过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－ 绘出曲线。 相图结构：两点、两线、三区。
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4.1.3 相平衡与相律 1. 相平衡条件 相平衡：在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一 组元的浓度均不随时间而变，则体系达到相平衡。 动态平衡 各组元在它存在的各相中的化学位相等。 2.相律 （ 1 ）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和 自由度数之间的关系。 （2）表达式：f=c-p+2;压力一定时，f=c-p+1。 （3）应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个， 二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒 温进行，二元合金变温进行。
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2 平衡结晶过程及其组织
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3 具有包晶转变的合金的不平衡结 晶 包晶转变产物β相包在 α相外 面，这样，两个反应相L， α 的原 子必须通过 β相来传递以维持反应 的进行。原于在固相中的扩散速度 比在液相中慢得多。所以包晶转变 速度往往很慢。 实际生产中，由于冷速较快， 包晶转变不能充分进行。此外，在 不平衡凝固条件下，一些原来不应 发生包晶转变的合金，也会部分发 生包晶转变，组织中出现了少量β 相。 包晶转变产生的不平衡组织， 可采用长时间的扩散退火来减少或 消除。
图4.13 Pb-Sn合金相图
图4.14 含10%Sn的Pb-Sn合金平衡冷却示意图 22
（2）共晶合金 （WSn=61.9％） ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相对量计算。
图4.16 Pb-Sn共晶合金平衡冷却示意图
铁碳相图和铁碳合金
铁－石墨相图：Fe-C; 铁－渗碳体相图：Fe-Fe3C。
1 铁碳合金中的组元和相 L, δ, A(γ), F(α), Fe3C（渗碳体）
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2 Fe-Fe3C相图分析
点：16个。 线：两条磁性转变线；三条等温转变线； 其余三条线： GS,ES,PQ。
区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。
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（2）成分在D-C之间合金（42.4%<Ag<66.8%)的结晶
结晶过程： β 剩余； 室温组织：β＋αⅡ
图4.27 （a）Pt-Ag相图
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（3）成分在P-D之间合金（10.5%< Ag<42.4%)的结晶 结晶过程：α剩余； 室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。
图4.27 （a）Pt-Ag相图
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4.3二元相图的分析和使用 4.3.1 其他类型的二元相图 1、 其他类型的恒温转变相图 （1）熔晶转变相图 定义：一个固相在恒温下转变成一个液相和另一个固相的转 变。 （2）偏晶转变相图 定义：一个液相在恒温下分解为一个固相和另一个液相的转 变。 （3）共析转变相图 定义：一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固 相的转变。 （4）包析转变相图 定义：两个一定成分的固相，在恒温下，转变为一个新的固 相的转变。
L
包晶相图：具有包晶转变特征的相图。 1 包晶相图分析 点、线、区。
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2 平衡结晶过程及其组织 （1）包晶合金（含42.4%）的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, α对β过饱和－界面生成β－ 三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－全部转变为β。 室温组织：β或β＋αⅡ。
图4.27 （a）Pt-Ag相图
非金属-非金属（光滑－ 光滑界面）
所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其 间隙长大。可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。
非金属相与液相成分差别大。形成较大成分过冷，率 先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。
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（3）初生晶的形态： 金属固溶体：粗糙界面－树枝状； 非金属相：光滑界面－规则多面体。
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5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （3）成分过冷形成的条件和影响因素 条件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0 合金固有参数：m, k0 ; 实验可控参数：G, R 。
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（4）成分过冷对晶体生长形态的影响
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4.2.2 二元共晶相图及合金凝固
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相 tE 的转变。 L 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）
4.3.2 复杂二元相图的分析和使用
1、复杂二元相图的分析步骤
① 以稳定的化合物分割相图； ② 根据相区接触法则，确定各点、线、区的意义； ③ 分析水平线，确定相比特性点及转变反应式； ④ 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。 注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序 －无序转变线。
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②根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离X X 越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）； 流动性越差（因为枝晶发达）； 热裂倾向越大（因为液固 两相共存的温区大）。
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塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。
热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。
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4.4
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（3）溶质分布： A 液、固相内溶质完全混合（平衡凝固） B 固相不混合、液相完全混合 C 固相不混合、液相完全不混合 D 固相不混合、液相部分混合
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E 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）
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5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （1）成分过冷：由成分变化与实际温度 分布共同决定的过冷。 （ 2 ）形成：界面溶质浓度从高到低－液 相线温度从低到高。 （图示：溶质分布曲线－匀晶相图－液相线 温度分布曲线－实际温度分布曲－成分过冷 区。）
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4. 2 固溶体合金的平衡结晶 （1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 （2）平衡结晶过程分析 ① 冷却曲线： 温度－时间曲线 ② 相（组织）与相变 （各温区相的类型、相 变反应式、杠杆律应用）； ③ 组织示意图； ④ 成分均匀化：
9 9
*在每一温度下，平衡凝 固实质包括三个过程： ①液相内的扩散过程； ②固相的继续长大； ③固相内的扩散过程。
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（3）成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）
来自百度文库
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4 固溶体合金凝固时的溶质量分布 （1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界 层扩散出去速度的凝固过程。 （2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶 质浓度的比值。 k0=Cs/Cl
（4）当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分 界线的延长线应进入另一两相区，而不会进入单相区。
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4.2 二元匀晶相图
4.2.1 匀晶相图 1.相图分析 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。
L
匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, α, L+α。
图4.13 Pb-Sn合金相图
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（3）亚共晶合金及过共晶合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。
③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
图4.18 亚共晶合金平衡冷却示意图
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（4）组织组成物与组织图 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。 组织组成物相对量的计算：杠杆定律。
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（3）与纯金属结晶的比较 ① 相同点：基本过程：形核－长大 热力学条件：⊿T>0 能量条件：能量起伏 结构条件：结构起伏 ； ； 。 ；
② 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相 律分析；必要性：成分均匀化。）
合金结晶是选分结晶：需成分起伏。
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3 固溶体的不平衡结晶 （ 1 ）原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均 匀）。 （ 2 ）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每 一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大；组织多为树枝 状。
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4.1.4 二元相图的几何规律 （1）相区接触法则：两个单相区之间必定有一个由这两个相 组成的两相区，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单 相区或三相水平线隔开。由此可以看出二元相图中相邻相区 的相数差一个(点接触除外)。 （2）在二元相图中，若是三相平衡，则三相区必为一水平 线．这条水平线与三个单相区的接触点确定了三个平衡相及 相浓度。每条水平线必与三个两相区相邻。 （3）如果两个恒温转变中有两个相同的相，则这两条水平 线之间一定是由这两个相组成的两相区。
2、 应用相图时要注意的问题
① 相图只能给出合金在平衡条件下存在的相和相对量，并不表示相的 形状、大小和分布，而这些主要取决于相的特征及形成条件。 ②相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下，合金很少能达到 平衡状态。
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表4.1 二元系各类恒温转变图型
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3、根据相图判断合金的性能 ① 根据相图判断材料的力学和物理性能